运动控制实验报告

1、“运动控制系统”专题实验报告学生姓名xxx所属班级自动化同组者姓名xxx实验时间2013.6.8实验名称双闭环晶闸管不可逆直流调速系统一.实验目的1了解双闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。 2熟悉双闭环不可逆直流调速系统的参数化及其整定方法。3掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。二.实验内容1 .各控制单元调试 2测定电流反馈系数 3测定开环机械特性及闭环静特性4. 闭环控制特性的测定5. 观察、记录系统动态波形。三实验设备1. 电源控制屏(NMCL-322. 触发电路和晶闸管主回路(NMC33)3. 三相电阻(NMC03)4. 直流调速控制单元(

2、NMC18)5. 电机导轨及测速发电机(或光电编码器)6. 直流发电机M017. 直流电动机M038. 双踪示波器9. 万用表四实验原理双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可抑制电网电压波动对转速的 影响，实验系统的控制回路如图 4.8b所示，主回路可参考图4.8a所示。系统工作时，先给电动机加励 磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。ASR,ACR均有限幅环节，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到限制起动电流的目的，ACR的输出作为移相触发电路的控制电

3、压，利用AC啲输出限幅可达到限制 amin和bmin的目的。当加入给定 Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以 限定的最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速(即Ug=Ufn)，并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略低于给定转速的数值上。五.实验方法1按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常(1) 用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲(2) 检查相序，用示波器观察“ 1”，“ 2”脉冲观察孔，“ 1”脉冲超前“ 2”脉冲600,则相序正 确，否则，应调整输入电源。(3) 将控制I组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极和阴极之

4、间应有幅度为1V 2V的脉冲。2双闭环调速系统调试原则(1) 先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。(2) 先开环，后闭环，即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。(3) 先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。(4) 给定G偏移电压Ub ASR和ACR的4个电位器全部左旋最主龍源輪出.位 f NMCI-3?I组歸闸管位*、伍流电流表* 程为園NMCL-33 丿J. 丄vt3NMCL-331厂眼流电阴.可选用 1 lNMEL-D3(900IxJ负较環0乩可迭用NMEL-03怡DO欧丼 |；Uffii-ea不可逆双闭坏直滦调速系城宇凹貉

5、3.开环外特性的测定图4.14a和图4.14b为不可逆双闭环直流调速系统主回路和控制回路。(1) 去掉图4.14b中Uct和ACR的“ 7”端之间的连接线，系统形成开环。控制电压Uct由给定器Ug 直接接入。主回路按图4.8a接线，此时直流发电机 M01不接负载电阻RG(2) NMCL-32的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。推上空气开关，合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。然后，再将转速计置ON。(3) 逐渐增加给定电压 Ug,使电机起动、升速，调节Ug使电机空载转速n0=1500r/min。接入发电机的励磁和可调电阻RG调节直流发电机的

6、负载电阻 RG在直流电机空载至额定负载范围，测取35点,读取电机转速n,电机电枢电流Id，即可测出系统的开环外特性n=f (Id)n(rAnin)1(A)注意：当给定电压 U为0时，电机缓慢转动，则表明 a太小，需后移脉冲使 a =180。4单元部件调试ASR调试方法与4.2节相同。ACR调试：断开ASR的“3”与ACR的“ 3”的连接线，去掉ACR的“7”和Uct的连接线，不接ACR的“ 1”和FBC+FA的“ If ”之间的连线，给定 G直接与ACR勺输入端“ 3”连接。使调节器为PI调节器， 接入7卩F的电容，通过给定G加入一定的输入电压(可为 2V),调整正、负限幅电位器 RP1和RP

7、2使 得输出端“7”限幅在土 5V。再调节RP1使脉冲前移a=300、后移b=300 (相当于正弦波与脉冲之间的 a=600 至180。可调)。最后，反馈电位器 RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。5. 系统调试将Ublf接地，Ublr悬空，只使用I组桥六个晶闸管。(1) 电流环调试首先，电动机M03不加励磁。(a) 如图4.14a和图4.14b所示，断开ACR的“ 7”和Uct的连线，系统形成开环，同时控制电压 Uct由给定器Ug直接接入。调节给定 G使Uct=0。合上主回路电源，转速计 TG的电源置ON逐渐增加给定 电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压波形应有6个

8、相同波形。(b) 缓慢地增加给定电压，直至ld=1.1led (可为1.2V )，然后将给定G返回最小，此时电动机堵转。 然后，调节NMCL-33左下方的FBCA+FA电流反馈电位器 RP1,使电流反馈电压If近似等于速度调节器 ASR 的输出限幅值5V。(c) NMC31的给定G俞出电压Ug接至ACR的“ 3”端，ACR的输出“ 7”端接至Uct，即系统接入已 接成PI调节的ACR&成电流单闭环系统。 AC啲“ 9”、“10”端接可调电容，预置 7卩F,同时，反馈 电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。为了防止电机 M03过流，应在电枢回路串接Rd。闭合主回 路电源，逐渐增加给定

9、电压Ug,使AC輸出电压接近于限幅值 5V,观察主电路电流是否小于或等于 1.1Ied(1.2A)，如Id过大，则应调整电流反馈电位器( NMCL-33左下方的FBC+FA，使If增加，直至 Id<1.1Ied。此时Id的增加有限，小于过电流保护整定值，这说明系统已具有限流保护功能。最后测 定并计算电流反馈系数。(2) 速度变换器FBS的调试其次，电动机M03加额定励磁，短接限流电阻 RB(a) 推上空气开关，系统开环，即给定电压Ug直接接至Uct，去掉ACR的“ 7”与Uct的连接，闭合主回路电源，转速计 TG置ON Ug作为输入给定，逐渐加正给定，当转速n=1500r/min 时，调

10、节FBS(速度变换器)中的电位器 RP,使速度反馈电压为5V左右(3, 4之间)，计算速度反馈系数。(b) 速度反馈极性判断：给定G左旋最大，电动机转速 n=0。系统中接入ASR勾成转速单闭环系统， 即给定电压Ug接至AS啲第2端，ASR的第3端接至Uct。注意：调节负给定电压 Ug( Ug为负电压)，若稍加给定，电机转速即达最高速(1700rpm,飞车)且调节Ug不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。但若接成转速一电流双闭环系统，由于给定极性 改变，故速度反馈极性可不变。6. 系统特性测试连线如图4.14a和图4.14b 所示，将ASR,ACR匀接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系

11、统。推 上空气开关。ASR的调试：(a)反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小；(b) “ 5”、“ 6”端接入可调电容，预置 7卩F;(c) 调节RP1 RP2使输出限幅为土 5V。(1) 机械特性n=f (Id )的测定调节给定电压Ug,使电动机M03空载转速(此时发电机 M01励磁不接)至1500 r/min 。 发电机M01接入励磁，调节发电机负载电阻 RG在空载RG最大至负载范围内分别记录 35点，可测出 系统静特性曲线n=f (Id )n|(r/min)1(A)(2) 闭环控制特性n=f(Ug)的测定发电机M01的负载电阻RG左旋最大，调节Ug,记录Ug和n,即可测出闭环控制

12、特性 n=f(Ug)。n(r/min)ug(v)7. 系统动态波形的观察用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用数字示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记 录下列动态波形：(1) 突加给定起动时，电动机 M03的电枢电流波形和转速波形。(2) 突加额定负载时，电动机 M03的电枢电流波形和转速波形。(3) 突降负载时，电动机 M03的电枢电流波形和转速波形。注意：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR勺第“ 1”端，转速波形的观察可通过 ASR勺第“ 1 ”端。六、实验结果与分析绘制实验所得静特性，并进行分析、比较。1.根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。n (r/min )1306123

13、611271025963888Ug(v)4.434.213.853.513.323.07n (r/min)1492147314581450144114301(A)0.8711.051.071.121.172 根据实验数据，画出闭环机械特性，并计算静差率。150014901480Y-212.59XH 1679.8147014601450144014301420系列1线性（系列线性（系列RS=(1679-1446)/1679=13.8%n (r/min)128612701255124012101190I (A)0.750.80.850.911.13 根据实验数据，画出系统开环机械特性，计算静差率，

14、并与闭环机械特性进行比较。130012801260y= 276.47X+ 1490. S12401220120011800,40.8系列1线性（系列US=（1490-1186）/1490=20.4%开环系统的静差率大于闭环系统的静差率4分析由数字示波器记录下来的动态波形。RIQOL STCPJ fl I.BCM在一个周期内，电压波形有6个相同波形，说明电路触发环节正确（1）突加给定起动时，电动机 M03的电枢电流波形和转速波形。R GOL STOP Ijf . 272iftUlCHl 100<iM MIS 2-60U Tine 206帥弓 4>+-l-2ffis电枢电流波形蓝色为电

15、枢电流红色为转速分析：突加给定启动时，转速调节器饱和，相当于转速外环开环。系统以最大启动电流加速，转速超 调后，转速调节器退饱和，电枢电流逐渐减小，降至负载电流后，转速开始下降，最终转速达到要求 转速，电枢电流等于负载电流。（2）突加额定负载时，电动机M03的电枢电流波形和转速波形。转速波形分析：突加额定负载，负载电流增大，转速下降。转速调节器输出增大，电流调节器输出增大，电枢 电流增大。由于实际系统，不可能静差为零。所以稳定时，稳定转速有所下降。电枢电流等于负载电 流。（3）突降负载时，电动机 M03的电枢电流波形和转速波形。转速波形电枢电流波形分析：突降额定负载，负载电流增小，转速上降。转

16、速调节器输出减小，电流调节器输出减小，电枢 电流减小。由于实际系统，不可能静差为零。所以稳定时，稳定转速有所上升。电枢电流等于负载电 流。七思考题1、双闭环不可逆直流调速系统如何实现无静差。答：转速调节器采用 PI或者PID可以实现转速无静差2、双闭环不可逆直流调速系统为什么要有电流环。答：对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难 以满足要求。因为单闭环系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。为了让电动机在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又只有转速负反馈，不在让电流负反馈 发挥作用，既存在转速和电流两种负反馈又使他们分

17、别在不同阶段起作用，可在系统中设置两个调节 器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者实现嵌套联接，电流环在里，转速环在外，就形成了双 闭环调速系统 八心得体会通过这次设计，我对双闭环不可逆调速系统有了进一步的理解和运用，加深了对电机调速应用。 双闭环调速就是转速、电流两种负反馈在不同的阶段分别起做用。而在双闭环直流调速系统中，转速 和电流调节器的结构选择与参数设计都要从动态校正的需要来解决。对于调速系统，最重要的动态性 能是抗扰性能。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。“运动控制系统”专题实验报告学生姓名xxx所属班级自动化同组者姓名xxx实验时间2013.6.8实验名称逻辑无环流

18、可逆直流调速系统一. 实验目的1 熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。2掌握各控制单元的原理，作用及调试方法。3掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试步骤和方法。4掌握逻辑无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。二. 实验内容1 .控制单元调试2. 系统调试3. 正反转机械特性n=f （Id）的测定。4. 正反转闭环控制特性 n=f （Ug）的测定5. 系统的动态特性的观察。三. 实验设备1. 电源控制屏（NMCL-322. 触发电路和晶闸管主回路（NMC33）3. 三相电阻（NMC03）4. 直流调速控制单元（NMC18）5. 电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M016. 直流

19、电动机M037. 双踪示波器8. 万用表四实验原理逻辑无环流可逆直流调速系统原理图如图4.9所示铲1A逻辑无环流可逆直流调速专用挂箱由AR （反号器）、DPT（转矩极性鉴别器）、DPZ（零电流检测器）、DLC（逻辑控制器）构成。1. 反号器（AR ）反号器（AR由运算放大器及有关电阻组成，如图4.10所示，用于调速系统中信号需要倒相的场合，反号器的输入信号由运算放大器的反相端接入，故输出电压为：Use （ RP+R） /R1X Usr调节RP1的可动触点，可改变RP1的数值，使RP1+R3=R1则U=-Usr，输入与输出成倒相关系。元件 RP1装在面板 上。SfllS吒号器电林疗诃至2. 转矩

20、极性鉴别器(DPT)转矩极性鉴别器(dpt为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化；它是一个模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平转换成逻辑运算所需的“0”、“1 ”状态信号。其原理如图4.11(a)所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图4.11(b)所示，具有继电特性。(前原理图e：聲入辆出特性io k!ts連，.电卅说理咱调节同相输入端电位器可以改变继电特性相对于零点的位置。特性的回环宽度为：Uk=Usr2-Usr 仁 K1(Uscm2-Uscm1)式中：K1为正反馈系统，若K1越大，则正反馈越强，回环宽度接越大；Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输

21、入电压；Uscm2和Uscm份别为正向和负向饱和输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6V,环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统运作迟钝。3. 零电流检测器(DPZ )零电流检测器(DPZ也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行 零电流检测，其原理图和输入输出特性分别如图4.12(a)和(b)所示。4. 逻辑控制器(DLC )逻辑控制器(DLC用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零电流信号进 行逻辑运算，切换加于正组桥或反组桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行，其 原理如图4.13所示。逻辑控制器主要

22、由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路和推3电路等环节组成。(1) 逻辑判断环节逻辑判断环节的任务是根据转矩极性电平检测器和零电流检测器的输出U和U状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换(由UT是否变换状态决定)及切换条件是否具备(由U是否从“ 0”变“ 1”决定)，即当UT变号后，零电流检测器检测到主电路电流过零( U= “ 1 ”)时，逻辑判断电路立 即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出U和"状态必须相反。(2) 延时环节要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后，经关断等待时间t1 (约3ms)和

23、触发等待时间t2 (约10ms)之后才能执行切换指令，故 设置相应的延时电路，延时电路中的VD1、VD2 C3、C4起t1的延时作用，VD3 VD4 C5 C6起t2的延时作用。(3) 逻辑保护环节逻辑保护环节也称为“多一”保护环节，当逻辑电路发生故障时，Uz、UF的输出同时为“ 1”状态，逻辑控制器的两个输出端 Ublf和Ublr全为“ 0 “状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路环流事 故。加入逻辑保护环流环节后，当UZ UF全为“ 1”状态时，使逻辑保护环节输出A点电位变为“ 0”，使Ublf和Ublr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路环流事故。(4) 推3环节在正、反桥切

24、换时，逻辑控制器中的G8输出“ 1”状态信号，将此信号送入 ACR勺输入端作为脉冲后移推3指令，从而可避免切换时电流的冲击。(5) 功率放大输出环节由于与非门输出功率有限，为了能可靠推动脉冲门I或n,故加了由V1和V2组成的功率放大级，由逻辑信号ULK1和ULK2进行控制，或为“通”或为“断”来控制触发脉冲门I或触发脉冲门n。5. 系统组成与工作原理逻辑无环流系统的主回路由二组反并联的三相全控整流桥组成，由于没有环流，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串接一个平波电抗器。控制系统主要由速度调节器 ASR电流调节器ACR反号器AR转矩极性鉴别器 DPT零电流检测器DPZ无环

25、流逻辑控制器 DLC触发器，电流变换器FBC速度变换器FBS等组成。其系统原理图如图4.14 所示。正向起动时，给定电压 Ug为正电压，无环流逻辑控制器的输出端Ublf为” 0”态，Ublr为” 1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路正组可控整流桥工作，电机正向运转。减小给定时，Ugv Ufn,使Ugi反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ublf,Ublr 不变，当主回路电流减小并过零后， 5 , Ublr输出状态转换，Ublf为“1”态，Ublr为“0”态，即进入它桥制动状态，使电机 降速至设定的转速后再切换成正向运行；当Ug=0时，则电机停转。反向运行时，Ublf为” 1”态，

26、Ublr为” 0”态，主电路反组可控整流桥工作。无环流逻辑控制器的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变 状态，Ublf为” 0”态，Ublr为” 1 ”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆 变，正转制动它桥逆变阶段，则 Ublf为” 1”态，Ublr为” 0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于逻 辑控制器的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉冲环流。milIL *u iN*wrVD- N40073N400?VD.j )1 c 1一n DIB广 2

27、2=丄亠L-亠jTi vp,0*SJJ40 ItIN400?HLT4011!_IT D2I> rIN«W" 八DJD40114011D2B1 4oii,7/4011WilT W一 UX：|；<VSJm 'VDrNW IN400*TN4MT?0kTJ 13 E担抻牛五实验方法1 按图4.14接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。(1) 用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲(2) 检查相序，用示波器观察“ 1 ”，“ 2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“ 2”脉冲600,则相序正确, 否则，应调整输入电源。(3) 将控制一组桥触发脉

28、冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极， 应有幅度为1V 2V的脉冲。(4) 将Ublf接地，可观察I组桥晶闸管的触发脉冲。将Ublr接地，可观察反桥晶闸管的触发脉冲。(5) 用万用表检查 Ublf , Ublr的电压，一为高电平，一为低电平，不能同为低电平，即不能同时接 地。2. 控制单元调试(1) 按4.4 节的方法调试FBS ASR ACR(2) 按4.2 节的方法调试AR DPT DPZ DLC闭合主回路电源，转速计 TG置ON对电平检测器的输出应有下列要求转矩极性鉴别器DPT正给定，电机正转(空载1000rpm)：输出2端UM (“ 2”端)为” 1 ”状态。

29、 负给定，电机反转(空载1000rpm):输出2端5 (“ 2”端)为0”状态。零电流检测器DPZ主回路电流接近零(0.1A):输出端U (“ 2”端)为” 1”状态(11.76V )。 主回路有电流(0.7A ):输出2端U为” 0”状态(-0.64V )。(3) 调节ASR ACR勺串接积分电容(可为 7卩F),使系统正常，稳定运行。3. 机械特性n=f (I d)的测定测出n =1500r/min的正、反转机械特性 n =f (Id)，方法与4.4节相同。n=1500r.'Hnirn(r/m>inKA)4.闭耳控制拎卄的開定旅4.4节的方絃藹出止、衣料时的W幷控制峙桝u =

30、f (Uf).ug(v)5.系统动态波形的观察用双踪慢扫描示波器观察并记录：（1）给定值阶跃变化（正向起动 > 正向停车 > 反向切换到正向 > 正向切换到反向 '反向停车） 时的动态波形。（2） 电机稳定运行于额定转速，Ug不变，突加，突减负载（20%led.r 100%led）的动态波形：（3）改变ASR,ACR勺参数（串接电容，调节 RP4，观察动态波形如何变化。Qit凜蝴出，怕、VFNMCL-32 JNMCL-3Q JNMCL-33 J注意：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“ 1”端。转速波形的观察可通过ASR的第“ 1”端。曲任电滋0246系列1Rc

31、nq收”位于NMCL-3311-93可逆礙闭坏直鹿凋連系址主回寄六.实验结果与分析:1.根据实验结果，画出正、反转闭环控制特性曲线。ld=0.87An=1500 r/minUg (v)5.264.694.283.953.652.88n (r/min)15001383125511551064911Id=-O.87An=-1500 r/minUg (v)-4.87-4.39-3.92-3.61-3.23-2.68n (r/min)-1500-1353-1208-1115-997-8292根据实验结果，画出正、反转闭环机械特性，并计算静差率。I (A)-0.82-0.9-0.95-1-1.05-1.

32、1n (r/min)-1500-1499-1497-1495-1492-1490y=-37.692x- 1532.1系列1线性(系列1)正转时，额定电流 1.1A,对应转速1419 r/minS= (1692-1419) /1692=16.13%反转时，额定电流-1.1A，对应转速-1490 r/minS=(-1532+1490)/(-1532)=2.7%3 分析参数变化对系统动态过程的影响。(1)给定值阶跃变化(正向起动t正向停车t反向切换到正向t正向切换到反向t反向停车)时的动态波形。正向启动正向停车正向切换到反向(2)电机稳定运行于额定转速，Ug不变，突加，突减负载 (20%led?100%led)的动态波形:突加负载g ' ' T''''二'1 >F H 4 111111 F B B '"vii>1 1 F F e 4 V 1 11 1 1 F一r a q « it ill'突减负载RIGOL STOP _*JF -329nUCH1 二 200祝 用远 関加11 Tine 泅詔z 01.136?4分析电机从正转切换到反转过程中